Periodisch gepolte nichtlineare Materialien werden haufig in nichtlinearen optischen Prozessen benutzt. Vor allem spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) ist ein sehr wichtiger Prozess im Bereich in Quantenoptik. Dort kann sie als Quelle fur Einzelphotonen und verschrankten Photonen eingesetzt werden.
In unserem Labor benutzen wir einen periodisch gepolten Kaliumtitanylphosphat- -Kristall (ppKTP), der speziell konstruiert ist fur erste-Ordnung Typ-II quasi-phase-matched SPDC. Durch Zufall haben wir jedoch auch ein weiteres, unerwartetes SPDC Phanomen im ppKTP Kristall beobachtet, welches nicht dem Typ-II phase-matching entspricht. Nach experimentellen Untersuchungen haben wir darauf geschlossen, dass es sich um eine dritte Ordnung des quasi-phase-matched Typ-0 SPDC Prozesses handelt.
Im Teil I beschreiben wir einige Grundlagen nichtlinearer Optik, die fur unsere Arbeit relevant sind, wie etwa die Natur der nichtlinearen Prozesse in Kapitel 1, die Prinzipien des quasi-phase-matchings in Kapitel 2, quasi-phase-matched SPDC in Kapitel 3 und eine kurze Einfuhrung in die Struktur des KTP Kristalls in Kapitel 4.
Im Teil II erklaren wir durchgefuhrte Experimente und prasentieren deren Resultate am neuen Typ-0 SPDC Prozess. Die Untersuchung wurde in drei unterschiedlichen experimentellen Aufbauten durchgefuhrt, welche in Kapitel 5-7 beschrieben sind. Im Kapitel 8 gehen wir auf die Toleranz des Typ-0 SPDCs ein.
Im Kapitel 5 beschreiben wir ein Experiment, das mithilfe einer EMCCD Kamera das Verhalten von SPDC Photonen zeigt. Im Kapitel 6 beschreiben wir das Spektrum dieses neuen SPDC Prozesses, und in Kapitel 7 charakterisieren wir die SPDC Photonen mithilfe von Koinzidenzaufnahmen.
Im Teil III folgern wir dass der Typ-0 SPDC Prozess existiert, weil die Polungsperiode unseres ppKTPs zufallig zum quasi-phase-matching dritter Ordnung passt. Ausgehend von unseren Beobachtungen schlagen wir Verbesserungen im Design und in der Herstellung von periodisch gepolten Kristallen vor, zum Beispiel ein Kristall, der verschiedene Ordnungen von quasi-phase-matched nichtlinearen Prozessen erzeugt.Wir schlagen auch Anwendungen vor, die auf den temperatur- und wellenlangenabhangigen Eigenschaften der parametrischen Fluoreszenz basieren.
Periodisch gepolte nichtlineare Materialien werden haufig in nichtlinearen optischen Prozessen benutzt. Vor allem spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) ist ein sehr wichtiger Prozess im Bereich in Quantenoptik. Dort kann sie als Quelle fur Einzelphotonen und verschrankten Photonen eingesetzt werden.
In unserem Labor benutzen wir einen periodisch gepolten Kaliumtitanylphosphat- -Kristall (ppKTP), der speziell konstruiert ist fur erste-Ordnung Typ-II quasi-phase-matched SPDC. Durch Zufall haben wir jedoch auch ein weiteres, unerwartetes SPDC Phanomen im ppKTP Kristall beobachtet, welches nicht dem Typ-II phase-matching entspricht. Nach experimentellen Untersuchungen haben wir darauf geschlossen, dass es sich um eine dritte Ordnung des quasi-phase-matched Typ-0 SPDC Prozesses handelt.
Im Teil I beschreiben wir einige Grundlagen nichtlinearer Optik, die fur unsere Arbeit relevant sind, wie etwa die Natur der nichtlinearen Prozesse in Kapitel 1, die Prinzipien des quasi-phase-matchings in Kapitel 2, quasi-phase-matched SPDC in Kapitel 3 und eine kurze Einfuhrung in die Struktur des KTP Kristalls in Kapitel 4.
Im Teil II erklaren wir durchgefuhrte Experimente und prasentieren deren Resultate am neuen Typ-0 SPDC Prozess. Die Untersuchung wurde in drei unterschiedlichen experimentellen Aufbauten durchgefuhrt, welche in Kapitel 5-7 beschrieben sind. Im Kapitel 8 gehen wir auf die Toleranz des Typ-0 SPDCs ein.
Im Kapitel 5 beschreiben wir ein Experiment, das mithilfe einer EMCCD Kamera das Verhalten von SPDC Photonen zeigt. Im Kapitel 6 beschreiben wir das Spektrum dieses neuen SPDC Prozesses, und in Kapitel 7 charakterisieren wir die SPDC Photonen mithilfe von Koinzidenzaufnahmen.
Im Teil III folgern wir dass der Typ-0 SPDC Prozess existiert, weil die Polungsperiode unseres ppKTPs zufallig zum quasi-phase-matching dritter Ordnung passt. Ausgehend von unseren Beobachtungen schlagen wir Verbesserungen im Design und in der Herstellung von periodisch gepolten Kristallen vor, zum Beispiel ein Kristall, der verschiedene Ordnungen von quasi-phase-matched nichtlinearen Prozessen erzeugt.Wir schlagen auch Anwendungen vor, die auf den temperatur- und wellenlangenabhangigen Eigenschaften der parametrischen Fluoreszenz basieren.
Die verlässliche Erzeugung einzelner Photonen mit wohldefinierten Eigenschaften in allen Freiheitsgraden ist entscheidend für die Entwicklung photonischer Quantentechnologien. Derzeit basieren die wichtigsten Einzelphotonenquellen auf dem Prozess der spontanen parameterischen Fluoreszenz (SPF), bei dem ein Pumpphoton in einem nichtlinearen Medium spontan in ein Paar aus Signal und Idlerphotonen zerfällt. Resonator-überhöhte SPF, also das Plazieren des nichtlinearen Mediums in einem optischen Resonator, ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Einzelphotonenquellen mit erhöhter Helligkeit und angepassten spektralen Eigenschaften zu konstruieren. Das Anpassen der spektralen Eigenschaften durch gezielte Auswahl der Resonatoreigenschaften ist besonders für hybride Quantentechnologienvon Bedeutung, welche darauf abzielen, unterschiedliche Quntensysteme so zu kombinieren, dass sich deren Vorteile ergänzen. Diese Arbeit stellt eine umfassende theoretische und experimentelle Analyse der dreifach resonanten SPF vor. Das aus der Literatur bekannte theoretische Modell wird diesbezüglich verbessert, dass der Einfluss sämtlicher Eigenschaften des Resonators auf die wichtigen experimentellen Größen (z.B. die Erzeugungsrate) gezielt ausgewertet werden kann. Dieses verbesserte und hoch genaue Modell stellt eine wichtige Grundlage für die Entwicklung und Optimierung neuartiger Photonenpaarquellen dar. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird der Aufbau und die Charakterisierung einer dreifach resonanten Photonenpaarquellen präsentiert. Die neu entwickelte digitale Regelelektronik sowie ein hochstabiler, schmalbandiger Monochromator welcher auf monolitischen, polarisationsunabhängigen Fabry-Pérot Resonatoren basiert, werden vorgestellt. Indem diese temperaturstabilisierten Resonatoren als Spetrumanalysator verwendet werden, wird zum ersten Mal die Frequenzkammstruktur des Spektrums der erzeugten Signal- und Idlerphotonen nachgewiesen. Des Weiteren wird der Einfluss der Pumpresonanz auf die Korrelationsfunktion und die Zweiphotoneninterferenz von Signal- und Idlerphotonen simuliert und vermessen. Abschließend werden Experimente aus dem Bereich der hybriden Quantennetzwerke präsentiert, in welchen Quantenfrequenzkonversion verwendet wird um die erzeugten Signalphotonen in das Telekommunikationsband zu transferieren. Dabei wird nachgewiesen, dass das temporale Wellenpaket durch die Konversion nicht beeinflusst wird und aufgezeigt, wie Quantennetzwerke von kommerziellen Telekommunikationstechnologien profitieren können.
Über Jahrhunderte hinweg teilte die Frage nach der Natur des Lichts die Wissenschaftler in zwei Lager. Zum einen in Vertreter der Teilchenhypothese, zum anderen jedoch spätestens nach der Veröffentlichung der Maxwell-Gleichungen und dem Nachweis elektromagneti- scher Wellen durch Heinrich Hertz in Anhänger der Wellentheorie von Licht. Erst mit der Entwicklung der Quantenmechanik zu Beginn des 20. Jahrhunderts erwiesen sich beide Theorien als gleichberechtigt. Bereits 1905 von Einstein postuliert, gelang der Nachweis einzelner Photonen, wie die Lichtteilchen mittlerweile genannt wurden, erst im Jahr 1977 durch Kimble et al., Experimente zur Wellennatur von Einzelphotonen erfolgten 1986 durch Grangier et al.. Seit den 1970er Jahren erfolgt die Präparation von Einzelphotonen nach immer neuen ex- perimentellen Ansätzen, die Entwicklung der Quanteninformation in den 1980er Jahren er- öffnet über die Untersuchung spannender quantenmechanischer Zusammenhänge hinaus ein praktisches Anwendungsfeld für Einzelphotonenquellen. Im Zentrum der vorliegenden Arbeit stand die Erzeugung von entarteten Einzelphotonenpaaren um 808 nm durch den nichtlinearen Prozess der parametrischen Abwärtskonversion vom Typ II in periodisch gepoltem Kaliumtitanylphosphat als nichtlinearem Medium. Die Emissionsspektren verschiedener Kristalle werden untersucht und Besonderheiten diskutiert, Details über das entartete Emissionsspektrum werden den Zweiphotoneninterferenzspektren aus Aufbauten nach Hong, Ou und Mandel bzw. Shih und Alley entnommen. Zugleich wird ein mathematisches Modell vorgestellt, das die exakte Beschreibung der Zweiphotoneninterferenzspektren ungefilterter Typ II-PDC-Photonen erlaubt. Die Emissionsspektren der einzelnen Photonen werden außerdem mit Hilfe von Autokorrelationsexperimenten untersucht, eine erfolgreiche Verletzung der Bellschen Ungleichung bestätigt die Möglichkeit der Präparation polarisationsverschränkter Zustände. Mit PDC in PPKTP steht damit eine zuverlässige und vielseitige Quelle für Einzelphotonen um 808 nm zur Verfügung. Neben der Erzeugung von Einzelphotonenpaaren durch PDC und ihrer Charakterisierung durch verschiedene Interferenzexperimente wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit außerdem zwei Anwendungsansätze verfolgt: Durch Differenzfrequenzerzeugung zwischen einem Einzelphoton und einem klassischen Pumpfeld sollte eine Zweiphotonenquelle implementiert werden, deren grundsätzliche Idee hier skizziert wird. Ein zweites Anwendungsfeld stellt die oben bereits angesprochene Quanteninformationsverarbeitung dar, die beschriebene Einzelphotonenquelle wird verwendet, um ein Sende-Modul für den Quantenschlüsselaustausch nach dem BB84-Protokoll zu implementieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau entwickelt, der auf die Verwendung aktiver optischer Elemente zur Zustandspräparation verzichtet und das Zentrum einer Schlüsselaustauschstrecke nach BB84 bildet.
In der Quantenoptik gib es kaum einen Prozess der öfter eingesetzt wird als die Parametrische Fluoreszenz (PDC). Doch trotz der weiten Verbreitung bereitet die theoretische Beschreibung der PDC noch immer Schwierigkeiten. In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit diesem Problem und erweitern die gegenwärtige störungstheoretische Beschreibung von “ultrafast” PDC in Wellenleitern um sowohl den räumlichen als auch den spektralen Freiheitsgrad [1, 2]. Weiterhin gehen wir über diese störungstheoretischen Betrachtungen hinaus und entwickeln eine numerische und eine vereinfachte analytisches rigorose theoretische Modellierung der PDC, die sich überdies zur Beschreibung von Frequenzkonversion eignet [3]. Dieses tiefgreifende Verständnis der PDC ermöglicht es uns zukünftige Anwendungen der PDC im Bereich der Quanteninformation zu erforschen: Wir untersuchen wie gut PDC eine deterministische Einphotonenquelle annähern kann [5], präsentieren eine neue Methode die spektralen Eigenschaften der PDC unabhängig von der Dispersion im Kristall zu verändern [5] und entwickeln einen neuen Ansatz um PDC, robust, einfach und, vor allem, verlustunabhängig zu charakterisieren [6]. Schließlich stellen wir ein gemultiplextes Quantenkommunikationsprotokoll vor welches, basierend auf den multimodigen Eigenschaften der PDC, exponentiell höhere Datenraten, als vergleichbare einmodige Protokolle ermöglicht [7].
Die Erzeugung von Photonen mit maßgeschneiderten Eigenschaften ist von größter Bedeutung in der experimentellen Quantenoptik. Fast alle verwendeten Photonenquellen basieren heutzutage auf spontaner Fluoreszenz, durch die ein Photon in einem nichtlinearen Kristall spontan in zwei Photonen zerfällt. Mithilfe dieses Effektes lassen sich sowohl Einzelphotonenquellen als auch Quellen zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren verwirklichen. In dieser Arbeit werden die Eigenschaften von verschiedenen, auf Fluoreszenez basierender, Photonenquellen beschrieben, sowie ihre Anwendung in zwei ausgewählten quantenoptischen Experimenten. Das erste Experiment stellt eine Anwendung der sogenannten blinden Quantendatenverarbeitung dar, in der ein Anwender ohne quantenmechanische Ressourcen eine Berechnung auf einen Server auslagert, der über große Quantenkapazitäten verfügt. Das Besondere dabei ist, dass der Server die Berechnung zwar ausführt, dabei aber keine Details über die Berechnung selbst erfährt. Er ist der Eingabe, der Durchführung und der Ausgabe gegenüber 'blind'. Das zweite Experiment beschäftigt sich mit Einmalprogrammen, die nach einmaliger Verwendung unbrauchbar und nicht kopiert werden können. Durch Eigenschaften der Quantenmechanik ist es möglich, diese Art von Programmen zu verwirklichen ohne die physische Zerstörung von Hardware. Abschließend werden die Vorteile einer gebrauchsfertigen Photonenquelle besprochen, die durch ihre einfache Handhabung ideal für quantenoptische Experimente in einem Laborpraktikum geeignet ist.
Koherent Photonen zwischen verschiedenen Zuständen zu konvertieren eröffnet faszinierende neue Möglichkeiten und Anwendungen in Quantenoptik-Experimenten. In dieser Arbeit werden drei Experimente zu dieser Thematik vorgestellt. Das erste Experiment demonstriert Quanten-Frequenzkonversion von polarisationsverschränkten Photonen. Kohärente Frequenzkonversion einzelner Photonen bietet eine elegante Lösung für den oft schwierigen Kompromiss die optimale Wellenlänge zu finden: beispielsweise bezüglich der optimalen Übertragung und Speicherung in Quantennetzwerken. In unseren Experimenten verifizieren wir die erfolgreiche Konversion der Verschränkung durch die Verletzung einer Clause-Horne-Shimony-Holt (CHSH) Bell-Ungleichung. Ausserdem wird der fast optimale Verschränkungstransfer genau durch Quantenzustands - und Quantenprozess - Tomografie charakterisiert. Unsere Implementation ist robust und flexibel und dadurch ein geeigneter Baustein für zukünftige Quantentechnologien. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Vorstellung eines neuen deterministischen Schemas zur photonischen Quanteninformationsverarbeitung. Während einzelnen Photonen viele Vorteile für Quanteninformationstechnologien aufweisen, sind die bisher ungelösten Herausforderungen deterministische Einzelphotonen-Quellen, deterministische Photon-Photon Wechselwirkungen sowie nahe 100% effiziente Detektion. All diese können mit einem einzigen, vielseitigen Prozess gelöst werden -- einem Vier-Wellen-Mischungs-Prozess der hier als Spezialfall des generellerem Schemas der "Kohärenten Photonen-Konversion" vorgeschlagen wird. Dies kann viele, wertvolle Werkzeuge für die Quantenverarbeitung bereitstellen, angefangen von skalierbaren Multi-Photonen-Quellen, über die Implementation von deterministischen Verschränkungsgattern bis hin zur Ermöglichung hocheffizienter Einzelphotonen-Detektion. Beachtlicherweise würde sogar skalierbares optisches Quantencomputing ermöglicht. In unserem Experiment demonstrieren wir mit Hilfe von Photonischen-Kristall-Fasern einen Vier-Farben nichtlinearen Prozess, der für die "Kohärente Photonen-Konversion" geeignet wäre. Dafür weisen wir die Erzeugung korrelierter Photonenpaare bei den vorhergesagten Wellenlängen nach und bestimmen quantitativ die lineare Verstärkung der Wechselwirkung abhängig von der benutzen Pumpleistung. Wir erörtern weiterhin, wie man mit Hilfe derzeitiger Technologie in das angestrebte Regime der deterministischen Wechselwirkung gelangen könnte. Ausserdem könnte das vorgeschlagene Prinzip auch in anderen physikalischen Systemen, wie opto-mechanischen, elektromechanischen oder supraleitenden Systemen eingesetzt werden, welche auch zum Teil sehr hohe intrinsiche Nichtlinearitäten aufweisen. Im dritten Experiment wird die Erzeugung und der Nachweis von diskreten Farb-verschränkten Zuständen beschrieben. Wir erzeugen diese Zustände durch die Übertragung von Polarisationsverschränkung von nicht-degenerierten Photonenpaaren auf den Farb-Freiheitsgrad. Wir weisen dann streng die Verschränkung nach und quantifizieren den Grad der Verschränkung mithilfe der Rekonstruktion einer reduzierten Dichtematrix. Unsere Technik kann generalisiert werden um den Transfer von Polarisationsverschränkung auf andere photonische Freiheitsgrade zu ermöglichen wie zum Beispiel den Bahndrehimpuls der räumlichen Moden einzelner Photonen.
Der Zusammenhang zwischen Interferenz und der Verfügbarkeit von Pfadinformation ist ein Merkmal der Quantenmechanik, das Physiker seit mehr als einem Jahrhundert fasziniert. In den frühen neunziger Jahren wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, die einen neuen Aspekt dieses Zusammenhangs aufzeigten. In diesen Experimenten wurde Quanteninterferenz in Situationen gezeigt, in welchen verschiedene Photonenpaarquellen ein oder beide Photonen in identische Strahlen emittierten. Im Gegensatz zu Quanteninterferenzexperimenten, in denen beide Photonen korreliert detektiert werden, kann die Interferenz in diesem Fall in der Intensität eines einzelnen Photonenstrahls beobachtet werden, obwohl Photonenpaare an dem Phänomen beteiligt sind. Dies erlaubt die Beobachtung von klassisch nicht erklärbaren Effekten mit einem einzelnen Detektor. Diese Beobachtung eröffnet die Möglichkeit, die Einzelphotoneninterferenz nur durch Manipulation eines anderen Photonenstrahls zu kontrollieren, welcher selbst nicht detektiert werden muss. In den letzten Jahren hat sich ein wachsendes Forschungsgebiet um diesen als "induced coherence without induced emission" bezeichneten Interferenzeffekt etabliert, nachdem Anwendungen für Bildgebung und Spektroskopie demonstriert wurden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf grundlegende Aspekte des obigen Interferenzeffekts mit dem Ziel, unser Verständnis der Quantenkomplementarität in den daraus resultierenden ungewöhnlichen Situationen zu vertiefen. Nach einem kurzen Überblick über vergangene und aktuelle Forschung wenden wir uns experimentellen Beobachtungen des Phänomens der "induced coherence without induced emission" in einem Multimode-Szenario zu. Wir demonstrieren die Entstehung eines Interferenzsmusters in einem Strahl, indem wir einenm anderen Strahl kontrollieren, der nicht detektiert wird. Die Interfernzstreifen werden mit analogen Beobachtungen in klassischer Interferometrie verglichen und Unterschiede, insbesondere hinsichtlich ihrer Wellenlängenabhängigkeit, analysiert. Des weiteren wird ein Experiment vorgestellt, in dem nur eines von zwei Photonen eines Paares detektiert wird. Wir demonstrieren, dass das in einem einzelnen Photonenstrahl entstandene Interferenzmuster dazu verwendet werden kann, die Korrelationen zwischen beiden Photonen zu messen. Anschlie ßend wird gezeigt, dass es möglich ist, die Polarisation eines Lichtstrahls zu ändern, indem lediglich die in einem anderen Strahl verfügbare Pfadinformation geändert wird. Dieses Schema ermöglicht es, den Polarisationsgrad eines Lichtstrahls zu kontrollieren, ohne dessen Intensität zu beein ussen. Die Komplementarität in einer Situation, in der beide Photonen in identische Moden emittiert werden, wird in einem anderen Experiment untersucht. Wir führen ein Delayed- Choice-Experiment durch, das die Komplementarität zwischen Interferenz und Information über den Ursprung eines Photonenpaares illustriert. Die in diesem Experiment analysierten komplement ären Eigenschaften gehen über die häufig untersuchte Komplementarität zwischen Wellenund Teilchenverhalten hinaus. Sie erfordern eine Abstraktion des Interferenzkonzepts, welche den gesamten Photonenpaar-Emissionsprozess miteinbezieht. Schließlich wird ein Gedankenexperiment vorgestellt, in dem die Emission von Photonenpaaren aus drei nicht unterscheidbaren Quellen betrachtet wird. In diesem wird gezeigt, dass die Zuschreibung einer bestimmten Quelle als Ursprung eines Photonenpaares inkonsistent ist. Zum Abschluss werden einige offene Fragen diskutiert, die durch unsere Ergebnisse angeregt wurden.